Thiết kế bộ điều khiển PID mờ cho tay máy 3 bậc tự do

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRẦN DỖN TƯỜNG MINH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ CHO TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO Chuyên ngành : Tự động hĩa Mã số : 60.52.60 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - 2011 - 1 - Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN HỒNG MAI Phản biện 1 : PGS.TS. Nguyễn Dỗn Bình Phản biện 2 : TS. Nguyễn Anh Duy Luận văn sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 05 năm 2011. * Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng. - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng. - 2 - MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật các ngành cơng nghệ thơng tin, điện tử viễn thơng, tự động hĩa… đã cĩ một bước tiến rất lớn, nhiều cơng trình khoa học, các sản phẩm được ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu của con người như: máy rút tiền tự động (ATM), thiết bị nhận dạng vân tay, robot giúp việc nhà, người máy Asimo cĩ khả năng giao tiếp giống như người … Để nâng cao chất lượng điều khiển đối với hệ thống tay máy robot và các bộ dẫn động thì cĩ nhiều cách khác nhau, xác định hệ dẫn động, mơ hình tốn học của bộ dẫn động và thiết kế bộ điều khiển PID mờ cho hệ dẫn động theo yêu cầu điều khiển tay máy robot quĩ đạo, xem tay máy robot như là đối tượng chấp hành, sau đĩ mơ phỏng hệ thống và tiến hành hiệu chỉnh các thơng số của bộ điều khiển để đạt được yêu cầu đặt ra. Với lý do đĩ tơi chọn đề tài “THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ CHO TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO” để làm đề tài nghiên cứu. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về tay máy và lý thuyết mờ - Thiết kế bộ điều khiển cho tay máy 3 bậc tự do 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu mơ hình tay máy 3 bậc tự do 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng thuật tốn điều khiển - Mơ hình hĩa và mơ phỏng để kiểm tra các thuật tốn và kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu trên matlab simulink 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài Về khoa học: Việc nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PID Mờ để điều khiển và nâng cao chất lượng, tăng độ mềm dẻo và độ - 3 - linh hoạt của bộ truyền động trong các dây chuyền sản xuất, cụ thể điều khiển tay máy 3 bậc tự do là một vấn đề cĩ ý nghĩa cao về khoa học Về thực tiễn: Việc tích hợp điều khiển PID Mờ vào vi điều khiển mở ra triển vọng mới trong việc khai thác, áp dụng cho các hệ thống điều khiển trong cơng nghiệp để thay đổi cơng nghệ sản xuất cũ bằng việc tự động hĩa điểu khiển và khai thác triệt để năng lực, giảm vốn đầu tư, nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển, đưa lại nhiều hơn các sản phẩm chất lượng tốt với giá thành thấp và cạnh tranh hơn. 6. Cấu trúc luận văn Luận văn cĩ phần mở đầu giới thiệu về nội dung, mục lục, danh mục các bảng, hình vẽ, kết luận và kiến nghị và bao gồm 5 chương được nghiên cứu cụ thể: Chương 1: Tổng quan về Robot cơng nghiệp và tay máy Chương 2: Tổng quan về điều khiển PID và điều khiển Mờ Chương 3: Xây dựng mơ hình tốn học của tay máy 3 bậc tự do Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển PID Mờ điều khiển tay máy 3 bậc tự do Chương 5: Mơ phỏng và đánh giá kết quả Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ ROBOT CƠNG NGHIỆP VÀ TAY MÁY 1.1. Lịch sử phát triển của robot cơng nghiệp 1.1.1. Sơ lược về quá trình phát triển 1.1.2. Robot cơng nghệ cấp cao 1.2. Ứng dụng robot trong sản xuất 1.3. Các khái niệm và định nghĩa về robot cơng nghiệp 1.3.1. Định nghĩa về Robot cơng nghiệp - 4 - 1.3.2. Các khái niệm 1.3.2.1. Bậc tự do của robot 1.3.2.2. Hệ tọa độ 1.3.2.3. Trường cơng tác của robot 1.4. Phân loại robot cơng nghiệp 1.4.1. Phân loại theo kết cấu 1.4.2. Phân loại theo hệ thống truyền động 1.4.3. Phân loại theo ứng dụng 1.4.4. Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển Robot cĩ thể được điều khiển bằng các hệ truyền động như: truyền đồng điện, truyền động thuỷ lực, truyền động thuỷ khí, ... 1.5 . Cấu trúc cơ bản của robot cơng nghiệp 1.5.1. Các thành phần chính của Robot cơng nghiệp 1.5.2. Kết cấu của tay máy 1.6 . Kết luận Chương 1 Cho đến nay robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kinh tế, khoa học kỹ thuật và cơng nghệ. Đặc biệt robot tay máy với các cơ cấu 2 và 3 bậc tự do được sử dụng rộng rãi trong cơng nghệp điện tử với độ chính xác cao như hệ thống quay ra đa, điều chỉnh tầm và hướng pháo cao xạ, lắp ráp trong các dây chuyền sản xuất…với ưu điểm là cĩ tính chính xác và độ ổn định cao chính vì thế việc thơng minh hĩa các hệ thống điều khiển này đang được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu - 5 - Chương 2 - TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ PID MỜ 2.1. Lịch sử phát triển 2.2. Điều khiển mờ 2.2.1. Sơ đồ của hệ thống điều khiển mờ Hợp thành (Inference Mechanism) Giải mờ (Defuzzifiers) Luật mờ (Rule-base) Đầu vào x Đầu ra y Khối mờ hĩa (Fuzzifiers) Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ 2.2.1.1. Khối mờ hố Biến đổi các giá trị rõ đầu vào thành một miền giá trị mờ với hàm thuộc đã chọn ứng với biến ngơn ngữ đầu vào. 2.2.1.2. Khối hợp thành (Inference Mechanism) Biến đổi các giá trị mờ hố của biến ngơn ngữ đầu vào thành các giá trị mờ của biến ngơn ngữ đầu ra theo các luật hợp thành. 2.2.1.3. Khối luật mờ (Rule-base) Gồm tập các luật “Nếu...Thì...” dựa vào các luật mờ cơ sở do người thiết kế xây dựng thích hợp cho từng biến và giá trị của các biến ngơn ngữ theo quan hệ mờ Vào/Ra. 2.2.1.4. Khối giải mờ (Defuzzifier) Biến đổi các giá trị mờ đầu ra thành các giá trị rõ để điều khiển đối tượng. - 6 - 2.2.2. Phân loại điều khiển mờ 2.2.3. Cấu trúc cơ bản của bộ điều khiển mờ 2.3. Hệ điều khiển mờ nâng cao 2.3.1. Hệ điều khiển thích nghi mờ 2.3.2. Hệ điều khiển mờ lai PID Là hệ thống điều khiển tự động trong đĩ thiết bị điều khiển gồm 2 thành phần: Thiết bị điều khiển rõ và thiết bị điều khiển mờ Với hệ kết hợp này cĩ: Hệ điều khiển mờ lai kinh điển và Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID 2.3.2.1. Hệ điều khiển mờ lai kinh điển 2.3.2.2. Bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 2.4. Kết luận chương 2 Việc áp dụng lơgic mờ đã cho tạo ra các bộ điều khiển mờ, mờ lai, ... với những tính chất khá tốt nhằm đáp ứng yêu cầu trong điều khiển tự động, ví dụ điều khiển các đối tượng phức tạp. Ngồi ra, các bộ điều khiển mờ cho phép lặp lại các tính chất của các bộ điều khiển kinh điển. Thiết kế bộ điều khiển mờ cũng rất đa dạng, qua việc tổ chức các nguyên tắc điều khiển và chọn tập mờ cho các biến ngơn ngữ cho phép người ta thiết kế các bộ điều khiển mờ khác nhau. Chương 3 - XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO 3.1. Các phương thức điều khiển cánh tay Robot 3.1.1. Điều khiển theo chuỗi các điểm giới hạn 3.1.2. Điều khiển lặp lại 3.1.2.1. Phương pháp điều khiển thep quỹ đạo Điều khiển kiểu điểm - điểm 3.1.3. Điều khiển kiểu Robot thơng minh - 7 - 3.2. Sơ đồ động học cánh tay Robot 3 bậc tự do Phạm vi đề tài tập trung vào việc nghiên cứu điều khiển cánh tay robot 3 bậc chuyển động quay (QQQ) Điều khiển cánh tay máy ba khâu như hình vẽ 3.1 với các thơng số của cánh tay cho ở bảng 3.2 Hình 3.2: Sơ đồ cánh tay Robot 3DOF Bảng 3.2: Thơng số vật lý của cánh tay robot 3DOF Thơng số Ký hiệu Giá trị Đơn vị tính Bán kính khâu 1 R1 0,2 m Chiều dài khâu 1 l1 0,2 m Chiều dài khâu 2 l2 0,3 m Chiều dài khâu 3 l3 0,4 m Khối lượng khâu 1 m1 7 kg Khối lượng khâu 2 m2 3 kg Khối lượng khâu 3 m3 2 kg Khoảng cách đến trọng tâm khâu 1 d1 0,08 m Khoảng cách đến trọng tâm khâu 2 d2 0,13 m Khoảng cách đến trọng tâm khâu 3 d3 0,17 m Gia tốc trọng trường g 9,81 m/s2 Y0 ≡ X0 ≡ X1 Z0 ≡ ϕ2 ϕ3 ϕ1 ri Z i X Y i Z Z l2 0 l3 I II III - 8 - 3.2.1. Các phương trình động học của cánh tay Robot 3 DOF 3.2.1.1. Vận tốc của chuyển động thứ i 3.2.1.2. Gia tốc của chuyển động thứ i 3.2.2. Thành lập phương trình động lực học của tay máy 3 DOF 3.2.2.1. Động năng của tay máy 3 DOF 321 WWWW ++= Với Wi là động năng của các khớp 1,2,3 được tính ở (2.33) 3.2.2.2. Tính thế năng của tay máy 3 DOF 321 PPPP ++= )]sin(dsinlg[lm)sind-g(lmgdm 2332213221211 ϕϕϕϕ −−+++= 3.2.3. Mơ tả tốn học tay máy 3 DOF bằng phương trình vi phân 3.2.3.1. Thành lập hàm Lagrange 3.2.3.2. Mơ tả hệ bằng phương trình Lagrange bậc hai 3.2.4. Mơ tả hệ tay máy 3DOF bằng phương trình trạng thái Các moomen của các khớp tay mấy lần lượt là Q1, Q2, Q3 được tính ở (3.56) Trong đĩ: 2 3113 2 21123211331112211111 HHNNNK ϕϕϕϕϕϕϕϕ &&&&&&&& ++++= 2 2 3213 2 2212 2 121132213312122 GHHHNNK +++++= ϕϕϕϕϕϕϕ &&&&&&& 3 2 3313 2 2312 2 1311313123 GHHHNK ++++= ϕϕϕϕϕ &&&&& 3.2.4.1. Các biến trạng thái và phương trình trạng thái Đặt các biến trạng thái cho các khớp quay X1, X2, X3 đặt ở (3.57) Đặt các tín hiệu vào tay máy: u1, u2, u3 cĩ ở (3.58) Phương trình trạng thái cho chuyển động I, II, III được mơ tả: (3.59), (3.60), (3.61) 3.2.4.2. Phương trình trạng thái khớp quay Với 11x& 21x& 31x& được mơ tả ở (3.64), (3.65),( 3.66) - 9 - 3.3. Kết luận chương 3 - Hoạt động của tay máy robot ba khớp trong khơng gian là việc kết hợp chuyển động riêng của ba khớp lại với nhau. - Tay máy hoạt động luơn cĩ sự thay đổi về tốc độ nên thơng số động học của tay máy cũng thay đổi theo, chịu ảnh hưởng của các thơng số bên ngồi làm cho sai lệch lớn hơn - Với các phương trình trạng thái các khớp của tay máy ba bậc trên ta thấy được tay máy ba bậc là hệ cĩ tính phi tuyến mạnh. Chương 4 – THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ ĐIỀU KHIỂN TAY MÁY 3 BẬC TỰ DO 4.1 . Tổng hợp hệ điều khiển PID cho cánh tay Robot 3 bậc tự do 4.1.1. Thuật tốn điều khiển tỉ lệ (P) cĩ phản hồi tốc độ và điều khiển PD 4.1.2. Thuật tốn điều khiển PD cĩ bù gia tốc trọng trường 4.1.3. Thuật tốn điều khiển PID 4.1.4. Nhận xét chung 4.2. Tổng hợp bộ điều khiển vị trí PID cho động cơ điện một chiều Để tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí, chúng ta tiến hành tổng hợp điều khiển vị trí động cơ theo ba vịng kín sau: - Vịng trong cùng điều chỉnh dịng điện - Vịng thứ hai điều chỉnh tốc độ động cơ - Vịng ngồi cùng điều chỉnh vị trí 4.2.1. Các thơng số ban đầu 4.2.1.1. Động cơ điện một chiều - 10 - Bảng 4.1: Các thơng số của động cơ điện một chiều Thơng số Ký hiệu Giá trị Đơn vị tính Cơng suất danh định Pđm 220 W Tốc độ định mức nđm 3000 v/ph Điện áp định mức Uđm 100 V Dịng điện định mức Iđm 2 A Moment quán tính J1 0,00092 kg.m2 Hằng số sức phản điện động Kb 0,247 V.s/rad Hằng số từ thơng động cơ Ka 0,284 N.m/A Điện trở phần ứng Ra 1,8 Ω Điện cảm phần ứng La 0,0049 H Hệ số ma sát Fm 0,055 Nm 4.2.1.2. Bộ chỉnh lưu Hàm truyền của bộ chỉnh lưu cĩ dạng: cl s cl cl cl cl cl 2 3 kT s cl cl cl cl cl K K KW (s) K .e T s (T s) (T s) (T s)e T s 11 ... 1! 2! 3! k! −τ = = = ≈ + + + + + + 4.2.1.3. Biến dịng Hàm truyền bộ biến dịng là: i i i KW Ts 1 = + 4.2.1.4. Máy phát tốc Hàm truyền của máy phát tốc cĩ dạng: ftft ft KW T s 1 = + - 11 - 4.2.1.5. Cảm biến vị trí Hàm truyền của cảm biến vị trí cĩ dạng: 1+ = sT KW vt vt vt 4.2.2. Tổng hợp mạch vịng điều chỉnh dịng (RI) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul Ta cĩ hàm truyền của bộ điều chỉnh dịng điện: Ri(p) = u si cl i 1 pT T2pK K Ru + =       + usiicl u pT 11. .T.K2K RT Ri(p) = KpI + KiI/p ; Ri(p) là khâu tỷ lệ - tích phân (PI) 4.2.3. Tổng hợp mạch vịng điều chỉnh tốc độ ( Rω ) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul Rω(p) = p)τp(1.2τ)p.T.p.(1.T.CK R.K 1 σσ sωcu1 ω + + Với Rω(p) = sωω cui .2.TR.K .T.CK Vậy Rω là khâu tỷ lệ (P) 4.2.4. Tổng hợp mạch vịng điều chỉnh vị trí ( ϕR ) Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul: ( )r vt s vt 1R (p) = 1 pK .K .2 p. K .p (1 2 p.T ) 1 T p ϕ σ σ ω ω + τ τ + + - 12 - Ta cĩ: s r vt vt KR (p) = (1 + 2T p) K .K .2T ω ϕ ω Rϕ = KϕP + KϕD . p Rϕ là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD) 4.3. Xây dựng hệ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID để điều chỉnh cánh tay Robot 3DOF 4.3.1. Đặt vấn đề 4.3.2. Tổng hợp mơ hình bộ điều khiển mờ chỉnh định bộ tham số PID Bộ điều khiển mờ cần 2 ngõ vào và 2 ngõ ra. Hai ngõ vào (input) là sai lệch vị trí gĩc (et) và đạo hàm của sai lệch vị trí gĩc (det) của khớp 1 và 2. Hai ngõ ra (output) là tín hiệu điều khiển Hesokp và Hesokd (đã chuẩn hĩa) cho bộ PD 4.3.2.1. Biến ngơn ngữ và miền giá trị của nĩ Miền giá trị của biến đầu vào (sai lệch ) được chọn là: et1 = {-3,14 3,14}; (đơn vị tính: rad) et2 = {-3,14 3,14}; (đơn vị tính: rad) Miền giá trị của biến đầu vào đạo hàm của sai lệch det được chọn là: det1 = et1 = {-3.14, 3.14} (đơn vị tính: rad/s) det2 = et2 = {-3.14, 3.14} (đơn vị tính: rad/s) Miền giá trị của biến đầu ra HesoHesokp và HesoHesokd được chuẩn hĩa là: Hesokp = Hesokd = {0, 1} 4.3.2.2. Xác định hàm liên thuộc - 13 - 4.3.2.3. Xây dựng các luật điều khiển 4.3.2.4. Luật hợp thành 4.4. Kết luận chương 4 - Việc áp dụng lơ-gic mờ đã cho tạo ra các bộ điều khiển mờ, mờ lai, ... với những tính chất khá tốt nhằm đáp ứng yêu cầu trong điều khiển tự động, ví dụ điều khiển các đối tượng phức tạp. Ngồi ra, các bộ điều khiển mờ cho phép lặp lại các tính chất của các bộ điều khiển kinh điển. Việc thiết kế bộ điều khiển mờ cũng rất đa dạng, qua việc tổ chức các nguyên tắc điều khiển và chọn tập mờ cho các biến ngơn ngữ cho phép người ta thiết kế các bộ điều khiển mờ khác nhau. - 14 - Chương 5 – MƠ PHỎNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ BỘ ĐIỀU KIỂN PID MỜ 5.1. Hệ thống điều khiển tay máy sử dụng bộ điều khiển PID 5.1.1. Mơ hình simulink của hệ thống Hình 5.1: Mơ hình hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID - 15 - 5.1.2. Kết quả mơ phỏng hệ thống điều khiển tay máy ba bậc tự do khi dùng bộ điều khiển PID Khi vị trí đặt gĩc quay cĩ dạng y= 0.15Sin(0.025t) đưa vào hệ thống điều khiển như hình 5.1 ta cĩ kết quả mơ phỏng như sau: 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 Sai lech quy dao RoBot Thoi gian [s] Sa i l e ch Hình 5.6: Đồ thị sai lệch quỹ đạo khi dùng PID Đồ thị của khớp quay 1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 Do thi goc quay khop 1 Thoi gian [s] G oc qu ay [ra d] Tin hieu goc quay dat Tin hieu goc quay thuc 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 x 10-3 Sai lech goc quay khop 1 Thoi gian [s] G oc qu a y [ra d] Hình 5.7 Hình 5.8 - 16 - 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Toc do sai lech goc quay khop 1 Thoi gian [s] To c do sa i le ch [ra d/ s] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -15 -10 -5 0 5 10 15 Toc do Dong Co khop 1 Thoi gian [s] To c do qu a y [ra d/ s] Hình 5.9 Hình 5.10 Đồ thị của khớp quay 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 Do thi goc quay khop 2 Thoi gian [s] G o c qu a y [ra d] Tin hieu goc quay dat Tin hieu goc quay thuc 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 Sai lech goc quay khop 2 Thoi gian [s] G o c qu ay [ra d] Hình 5.11 Hình 5.12 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 Toc do sai lech goc quay khop 2 Thoi gian [s] To c do sa i l ec h [ra d/ s] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 Toc do Dong Co khop 2 Thoi gian [s] To c do qu ay [ra d/ s] Hình 5.13 Hình 5.14 - 17 - Đồ thị của khớp quay 3 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 Do thi goc quay khop 3 Thoi gian [s] G o c qu ay [ra d] Tin hieu goc quay dat Tin hieu goc quay thuc 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 x 10-3 Sai lech goc quay khop 3 Thoi gian [s] G o c qu a y [ra d] Hình 5.15 Hình 5.16 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Toc do sai lech goc quay khop 3 Thoi gian [s] To c do sa i l ec h [ra d/ s] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 Toc do Dong Co khop 3 Thoi gian [s] To c do qu ay [ra d/ s] Hình 5.17 Hình 5.18 Từ đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực di chuyển của cánh tay Robot, đồ thị sai lệch quỹ đạo, ta nhận thấy rằng: + Tại thời điểm ban đầu khi khởi động đến 1 giây cánh tay dao động với sai lệch (khoảng 0,009) + Trong khoảng thời gian từ 0s đến 3s là khoảng thời gian cánh tay Robot di chuyển với dao động giảm của vị trí đầu đến quỹ đạo tương ứng cánh tay máy di chuyển nên sai lệch so với quỹ đạo đặt (khoảng 0,0025). + Tại t=10s sai lệch bằng 0, đến 20s, do cĩ sự thay đổi đường đi quỹ đạo, làm thay đổi chiều quay các khớp của tay máy, nên dẫn đến sự dao động của tín hiệu trước khi xác lập. Tuy nhiên, - 18 - biên độ dao động của tín hiệu quỹ đạo đầu ra rất nhỏ, và sai số xác lập cũng nhỏ (nhỏ hơn 0,002) 5.2. Hệ thống điều khiển tay máy sử dụng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ PID 5.2.1. Mơ hình simulink hệ thống bộ điều khiển mờ (Fuzzy logic) - 19 - Hình 5.19: Mơ hình hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển Fuzzy - 20 - 5.2.2. Kết quả mơ phỏng hệ thống điều khiển tay máy ba bậc tự do dùng bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID Khi vị trí đặt gĩc quay cĩ dạng y= 0.15Sin(0.025t) đưa vào hệ thống điều khiển như hình 5.19 ta cĩ kết quả mơ phỏng như sau: Kết quả về sai lệch quỹ đạo thực của tay máy 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 x 10-3 Sai lech quy dao thuc RoBot Thoi gian [s] Sa i l ec h[m ] Hình 5.21: Đồ thị sai lệch quỹ đạo dùng PID Fuzzy Đồ thị của khớp quay 1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 Do thi goc quay khop 1 Thoi gian [s] G o c qu a y [ra d] Tin hieu goc quay dat Tin hieu goc quay thuc 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -4 -2 0 2 4 6 8 x 10-3 Sai lech goc quay khop 1 Thoi gian [s] G o c qu a y [ra d] Hình 5.22 Hình 5.23 - 21 - 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.05 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Toc do sai lech goc quay khop 1 Thoi gian [s] To c do sa i l ec h [ra d/ s] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -15 -10 -5 0 5 10 15 Toc do Dong Co khop 1 Thoi gian [s] To c do qu ay [ra d/ s] Hình 5.24 Hình 5.25 Đồ thị của khớp quay 2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 Do thi goc quay khop 2 Thoi gian [s] G oc qu ay [ra d] Tin hieu goc quay dat Tin hieu goc quay thuc 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.04 -0.03 -0.02 -0.01 0 0.01 0.02 Sai lech goc quay khop 2 Thoi gian [s] G o c qu ay [ra d] Hình 5.26 Hình 5.27 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 Toc do sai lech goc quay khop 2 Thoi gian [s] To c do sa i l ec h [ra d/ s] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 Toc do Dong Co khop 2 Thoi gian [s] To c do qu ay [ra d/ s] Hình 5.28 Hình 5.29 - 22 - Đồ thị của khớp quay 3 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 Do thi goc quay khop 3 Thoi gian [s] G oc qu ay [ra d] Tin hieu goc quay dat Tin hieu goc quay thuc 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 x 10-3 Sai lech goc quay khop 3 Thoi gian [s] G oc qu a y [ra d] Hình 5.30 Hình 5.31 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Toc do sai lech goc quay khop 3 Thoi gian [s] To c do sa i l ec h [ra d/ s] 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 Toc do Dong Co khop 3 Thoi gian [s] To c do qu a y [ra d/ s] Hình 5.32 Hình 5.33 Từ đồ thị ta thấy việc so sánh hai sai lệch quỹ đạo khi dùng PID và dùng bộ mờ chỉnh định các tham số bộ điều khiển PID, ta thấy rằng độ sai lệch quỹ đạo ở cả hai trường hợp gần bằng nhau. Tuy nhiên biên độ dao động ở các thời gian quá độ ở bộ chỉnh định mờ giảm so với bộ điều khiển PID, và thời gian tín hiệu sai lệch về khơng nhanh hơn. 5.3. Kết luận chương 5 - Sai lệch tốc độ trong quá trình chuyển động của cánh tay Robot so với tốc độ của quỹ đạo đặt là tốt (gần bằng 0) so với khi dùng bộ PID. Biên độ dao động tại các thời điểm quá độ và sai lệch quỹ đạo được giảm. - 23 - - Khi chọn các tập giá trị mờ và luật điều khiển thích hợp thì luật điều khiển mờ giúp cho hệ đạt được độ chính xác khá cao, ngay cả với giá trị đặt rất nhỏ. - Hệ thống mơ phỏng đã được xét các trường hợp cánh tay Robot mang các phụ tải khác nhau, điều đĩ càng chứng tỏ tính bền vững cao của hệ điều khiển. Như vậy hệ thống làm việc ở chế độ khơng tải hoặc cĩ tải, bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ PID đảm bảo được chất lượng tĩnh và động tốt hơn khi dùng bộ điều khiển PID kinh điển. - 24 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. KẾT LUẬN - Việc xây dựng bộ điều khiển cho các đối tượng cĩ tính phi tuyến cao là rất cần thiết trong lĩnh vực tự động hĩa và các quá trình cơng nghiệp như hiện nay, tay máy robot là đối tượng cĩ tính phi tuyến cao, đặc biệt là các tay máy cĩ nhiều bậc tự do khác nhau, chính vì thế việc kết hợp và ứng dụng các phương pháp điều khiển hiện đại khác nhau là cần thiết cho các đối tượng khi cĩ tính phi tuyến mạnh hoặc biến đổi lớn trong bản luận văn này đã nghiên cứu xây dựng và đạt được các kết quả: - Tổng quan về tay máy và robot cơng nghiệp, là robot ba bậc tự do, lý thuyết về điều khiển mờ. Tính tốn và thiết kế bộ điều khiển kinh điển PID cho hệ dẫn động của tay máy ba bậc tự do, nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định các tham số bộ điều khiển PID để điều khiển quá trình chuyển động của tay máy di chuyển trong quỹ đạo đặt trước. Thiết kế chương trình mơ phỏng trên simulink cho các kết quả quỹ đạo, sai lệch quỹ đạo, sai lệch tốc độ, tốc độ, và sai lệch quỹ động tổng của tay máy cĩ kết quả đáp ứng tốt. Với các kết quả này giúp cho việc khảo sát, đánh giá và hiệu chỉnh nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển cánh tay robot được tốt hơn. - Luận văn cũng đã nghiên cứu lựa chọn bộ điều khiển mờ với các thơng số nhằm chỉnh định cho các tham số của bộ điều khiển PID được lựa chọn phù hợp để nâng cao chất lượng điều khiển của cánh tay Robot chuyển động theo quỹ đạo đặt trước, giúp cho việc tạo ra các quỹ đạo đáp ứng thực tốt, với hệ thống điều khiển này chất lượng bám theo quỹ đạo của cánh tay Robot được nâng lên nhiều so với hệ điều khiển PID kinh điển, với kết quả mơ phỏng cho ta thấy được giảm biên độ dao động ở các thời điểm quá độ giảm sai lệch - 25 - quỹ đạo thực so với quỹ đạo đặt nhỏ hơn 0.97 % so với 1,02% của bộ điều khiển PID, giảm sai lệch của gĩc quay và tốc độ của chuyển động về gần bằng 0. - Khi thực hiện việc thiết kế bộ điều khiển mờ cho các đối tượng khơng phụ thuộc vào đặc điểm mơ hình của đối tượng, chính vì thế quá trình xây dựng nên các bộ điều khiển mờ với các nguyên tắc điều khiển cho các đối tượng cĩ đặc tính khác nhau là hồn tồn giống nhau. 2. KIẾN NGHỊ Việc xây dựng và nghiên cứu bộ điều khiển cho tay máy ba bậc với điều kiện về thời gian, cơ sở vật chất hạn chế khơng cho phép nên luận văn chỉ dừng lại ở phần xây dựng lý thuyết và kết quả mơ phỏng trên phần mêm Matlab simulink. Chưa làm trên mơ hình thực tế của tay máy robot ba bậc tự do sử dụng bộ điều khiển mờ tích hợp để điều khiển, đây cũng chính là phần cịn hạn chế mà luận văn chưa thể hồn thiện được. Tuy nhiên kết quả mơ phỏng trên simulink cũng đã kiểm chứng và cho thấy tính đúng đắn của đề tài cần nghiên cứu. Để phát triển hơn nữa cĩ thể tiến hành nghiên cứu thiết kế chế tạo mơ hình tay máy ba bậc tự do dùng bộ điều khiển mờ tích hợp để điều khiển thì bản luận văn sẽ hồn thiện hơn.